移后方作前方向北京回师，他要在吴佩孚后方放一把火。11月4日傍晚，冯玉祥率军撤出前线，回师北京，发动了北京政变。在北京的冯部鹿钟麟、蒋遇鸿与孙岳里应外合，打开城门。
鹿钟麟率部率先入城，与孙岳的第十五混成旅在城中的部队会合。士兵们一律佩戴蓝布白字的臂章，上写“誓死救国，不扰民，真爱民”。政变军队分兵把守各重要路口，并戒严断绝交通，迅速占领各部、署衙门。这次“北京政变”真可谓迅雷不及掩耳，一举获得成功，曹锟在事先一点不知情的情况下被抓住幽禁了起来。
吴佩孚尚不知后方突变，他率僚属赴西清督战，直军前线士气转旺，奉军攻势曾受阻遏，战局颇有转机。中午时分，吴佩孚的日籍顾问冈野增次郎急匆匆赶来，他拿来两处电报，略带颤音说：“司令，我先后接到来自北京和天津打来的最紧急电报，内容大同小异，北京城内有了大变故1
吴佩孚大吃一惊，他接过电报，均言“讨逆军第三军司令冯玉祥等于4日下午六时退出战场，未经枪战即攻入北京，发动政变，曹锟总统已失自由，北京情况不明，酝酿巨变。”电报中所列参加政变人士均为直系巨头，包括冯玉祥、王承斌、王怀庆、胡景翼、孙岳等。看完冈野的电报，他立刻相信有这种可能，因为他对冯玉祥并不信任。
当晚，吴佩孚率领高级参谋人员回到总部，立即召集紧急军事会议于总司令室，各高级将领均出席，吴以沉痛的态度，宣布北京兵变及总部退却计划，瞬息之间，直奉战场形势大为改变。
午夜，吴佩孚先运兵3000北退，总司令部列车则于凌晨2时离廊坊。前线军事由彭寿莘总负责，吴自己乘总部专车带了一团卫队，星夜疾驰回返。他拖着沉重的心情和疲累的身体，一夜未眠。次日上午4时，列车到达通州站外不足10里。
11月5日，冯玉祥在北苑召开会议，商讨如何应付北方时局。出席会议的有孙岳、黄郛、王正廷等人。这次会上，冯玉祥被推为国民军总司令兼第一军军长，孙岳任副总司令兼第二军军长。鉴于孙中山尚无确切消息、吴佩孚率军攻击杨村等情况，孙岳提出成立摄政内阁。为表示欢迎孙中山主政的诚意，所定阁员多为南方的老革命党员，如国务总理黄郛，外交兼财政总长王正廷，国民军总长李书城，参谋总长李烈钧等。会议决定让曹锟下令停战，免去吴佩孚本兼各职，并宣布自动退位。
鹿钟麟入城有功，升任师长，并任北京警备司令，驻扎在东单帅府园。冯玉祥派鹿钟麟和警察局长张璧率警察和卫士进神武门到故宫与溥仪谈判，迫溥仪及其妃嫔迁出故宫，退居摄政王府。
大势已去的吴佩孚不得已宣布停战并下野。在此之前，西北人民军已攻克郑州防线，挺进新乡，并从此直插直军老巢保定府。而直军渤海舰队司令温权仁则在海上直接挂出了白旗，将全部海军拱手交给了辽东湾边防舰队。在蓟县、天津、张垣、郑州等各线直军也被奉命就地接受缴械。
此役奉军共接收约9个师16万人，四条战线共歼灭直军近3万人，冯玉祥、孙岳接收残兵各约万余人。在民国呼风唤雨多年的直系，就这样退出了历史舞台。同正史上不同的是，吴佩孚到死都没能有机会在中国的政治舞台上再展伸手了。在中央，现在已经没有任何力量可以阻挡奉系的独揽政局，即使是孙中山也一样。张作霖兴冲冲地自奉天赶到秦皇岛，准备改组政府，赤膊上阵了。
可是城里还有冯玉祥、孙岳的两个军，他们是这次反直最大的功臣，都是以孙中山为皋圭的。现在形成的局面是冯玉祥的部队控制北京城，外围则是奉军控制大局。以奉军目前的实力，挥戈进入北京城对付实力居于下的“讨逆军”一战定天下不在话下，只是似乎师出无名。朝野各方都在观望奉军的下一步动向，如果此时稍有不慎，不但刚平服的直系立刻会死灰复燃，居于下风的皖系、国民党系各方只怕直接便可将孙中山这面大旗竖起来再次讨伐自己了。
即使在奉系内部也有请孙中山为总统、张作霖担任总理的政治力量划分愿望，比如郭松龄、胡景翼等一批辛亥革命初期便响应孙中山号召的旧将，和于右任等一大批在各地有重要影响的所谓名流，此外还有在中国未来有重要影响地位的江浙财团等孙中山所赖以财政支持的派系等。所以表面上看是奉系风光无限，其中凶险不为人知。一着不慎，满盘皆输。
在此时刻，奉系内部也对这场巨大的胜利所陶醉，张作霖基本上认为奉系坐稳了天下。试想，曾经风光无限的北洋三派中的皖系、直系相继臣服于奉系，天下还有哪股力量能够再和自己匹敌？对于冯玉祥关闭北京城、拒绝奉军进入的举动，他几乎要发布命令要求奉军前锋强攻了。
关键时刻，张汉卿认为：中国目前乱局一团，如果战争再继续下去，难免日本人会乘乱有所动作。当务之急是迅速稳定局面――奉系已经在全国大部分地域取得了优势，取得下一个大捷甚至是问鼎中央已经不是问题所在。倒是需要在军事大捷的此时冷静下来，取得政治上、道义上的优势。
张作霖最终听取了张汉卿、孙烈臣、郭松龄的建议，呼吁各方就组建一个联合的政府同赴秦皇岛，与先期移转至此的孙中山商榷。其实各方均在关注奉系领袖的动向，以此时此地实力而言，任何撇开奉系的商谈都显得无足轻重，无论所组内阁为何，奉系铁定了是内阁的支柱与最大的实力派。各方所关注的只是是否能分得一杯羹，在新内阁中自己究竟能占多少名额、处于什么样地位！